基于二硫化钼的新型NOx气体传感器敏感特性与机理研究

Two-dimensional molybdenum disulfide (MoS2) shows great potential in the field of gas sensor owing to its unique properties such as high surface-to-volume ratio, excellent conductivity and low electronic noise. ZnO nanostructure exhibits good sensing properties and is the preferred inorganic sensitive material. NOx gas is one of the most common air pollutants and is a source of acid rain, dusthaze and photo-chemical smog. It seriously threatens human health and existence, and cause ecological environment problems. This project will employ MoS2 as basic sensitive material and fabricate novel MoS2/ZnO nano-composite film in the form of field-effect transistors by layer-by-layer self-assembly method for NOx detection. We will alter the shape and size parameters of ZnO in composite film to achieve the high sensitivity and fast response detection to NOx. At the same time, we will investigate the growth kinetics of MoS2 and surface-decorated materials, explore the mechanism of surface enhance effect and the influence on carrier transport process. The sensing effect of MoS2/ZnO nano-composite film structure will be studied and further improved as well. The aim of this project is to develop the novel NOx gas sensors with low concentration detection, high sensitivity and fast response. This study will provide a new approach to the detection of air pollutants with theoretical significances and application values.

二维材料二硫化钼（MoS2）因具有比表面积大、半导体性优异、电子噪声低等独特性质，在气体检测领域表现出巨大应用潜力。纳米结构氧化锌（ZnO）材料具有优异的气敏特性，一直以来都是无机敏感材料的首选。以NOx为主的大气污染物引发一系列严重的大气污染问题，严重威胁人类健康和生存，对生态环境也造成了巨大危害。本项目针对NOx气体，以MoS2为基础敏感材料，采用层层自组装方法在场效应晶体管上制备MoS2/ZnO新型纳米复合薄膜及器件。通过对纳米ZnO的形状、尺寸等参数进行调整控制的方式，以期实现对NOx的高灵敏度和快速检测。同时，研究MoS2及表面修饰材料自组装的生长动力学理论，探索表面增强效应的机理和对器件载流子输运的影响，研究MoS2纳米复合薄膜结构的传感效应，最终研制出低浓度检测、高灵敏度和快速响应的新型NOx传感器。本项目的研究对于大气空气污染检测提供了新思路，具有一定的理论意义和实用价值。

二维材料因具有比表面积大、电子噪声低等独特性质，在气体检测领域表现出巨大研究和应用潜力。本课题以二维材料二硫化钼（Molybdenum disulfide，MoS2）作为主要敏感材料，从材料设计制备、薄膜工艺、器件结构设计制备和机理分析几个角度展开MoS2基纳米复合薄膜气敏特性的研究。首先采用水热方法制备了MoS2花状结构，利用MoS2带负电的性质，采用层层自组装技术（Layer-by-layer Self-Assembly）制备了MoS2复合薄膜，分别研究了MoS2花状结构和层状结构（液相超声法获取）的结构特点、薄膜结构和气敏特性，同时对比分析了两种方法制备的MoS2对于MoS2纳米复合薄膜气敏性能的影响；其次采用偏锌酸钠溶液稀释法制备了不同结构氧化锌纳米材料，结合旋涂工艺制备并研究了ZnO形状结构和氧缺陷对于ZnO气敏性能的调控机制，同时采用ZnO晶种辅助方法获得了不同长度的一维ZnO纳米线，采用喷涂工艺制备并研究了尺寸对于ZnO纳米线气敏性能的影响；基于MoS2和ZnO的气敏性能研究结果，构建了二维材料纳米复合材料体系，研究了纳米复合材料相比与单一材料的气敏增效效应，同时结合材料特性、薄膜制备工艺、薄膜微观结构表征分析，运用气体吸附理论、分子动力学理论和载流子输运理论模型，对所建立的二维材料纳米复合薄膜结构体系和特性进行了分析讨论。此外，还研究了器件衬底和电极材料对纳米材料气敏性能的影响。取得结果如下：实现了MoS2/ZnO复合薄膜对低浓度NO2（ppb）的检测、ZnO纳米线对NOx气体的高灵敏度检测（10ppmNO2响应率达到350%，10ppmNO响应率达到180%）及二维材料纳米复合薄膜对甲醛的室温快速检测（2ppm甲醛响应时间15s），同时构建了二维纳米复合材料体系气敏机理模型。本课题的研究成果可为基于二维材料气体传感器的构建和应用提供一定参考。